هل يمكن للماس أن يفتح آفاقًا لتحسين الكيوبتات في الحوسبة الكمومية؟

استخدام الماس في الحوسبة الكمومية

على عكس الحواسيب العادية التي تستخدم البتات (0 & 1)، تستخدم الحواسيب الكمومية “الكيوبتات”. يمكن للكيوبتات أن توجد في حالات متعددة في آن واحد بفضل خاصيتين كمويتين: التراكب و الارتباط.

• التراكب يسمح التراكب للكيوبتات بتمثيل كل من 0 و 1 في نفس الوقت، مما يزيد بصورة أسية كمية البيانات التي يمكن معالجتها مقارنةً بالبتات الكلاسيكية.
• الارتباط يربط الارتباط الكيوبتات بطريقة تجعل حالة كيوبت واحد يمكن أن تؤثر فورًا على آخر، حتى عبر مسافات كبيرة.

تمكن هذه الخصائص وحدات المعالجة الكمومية (QPUs) من حل المشكلات المعقدة للغاية بسرعة أكبر بكثير من الحواسيب الكلاسيكية من خلال استكشاف حلول متعددة في آن واحد.

“ميزة الكيوبتات هي أنها يمكن أن تحتفظ بكمية أكبر بكثير من المعلومات مقارنةً بالبتات العادية. وهذا يعني أنها يمكن أن تزودنا بمزيد من المعلومات حول بيئتها، مما يجعلها ذات قيمة عالية كأجهزة استشعار، على سبيل المثال.”
آلاستير ستايسي – الباحث الفيزيائي الرئيسي ومدير قسم مواد وأجهزة الكم في PPPL.

مع ذلك، الكيوبتات هشة للغاية، وقياس خصائصها ليس مهمة سهلة.

فماذا لو اعتمدنا بدلاً من ذلك على أحد أصعب المواد على الأرض – الماس – لأداء مهام في حاسوبنا المتقدم؟ هذه هي رؤية الباحثين في جامعة برينستون، الذين نشروا مؤخرًا في مجلة Diamond And Related Materials تحت عنوان “نموذج الكيمياء الكمومية لتفاعلات السطح والنمو الحركي للماس: تأثير جذور CH₃ وجزيئات C₂H₂ في الترسيب الكيميائي بالبخار منخفض الحرارة¹“.

هذا يربط بين أعمال باحثين آخرين في جامعة ملبورن وجامعة برينستون، نُشرت تحت عنوان “طرق الحفاظ على مراكز اللون مع إنهاء الهيدروجين للماس²“.

نمو الماس حسب الطلب

كان الماس تاريخيًا حجرًا طبيعيًا فقط، لكن اليوم يتم تصنيعه في الغالب من الكربون الخام. ومع ذلك، تتطلب هذه العملية حرارة وضغطًا شديدين، لذا لا يمكن دمجها مع مواد أخرى مثل السيليكون المستخدم في شرائح الحواسيب. لهذا، يلزم تصنيع الماس في درجات حرارة منخفضة.

تم استكشاف بعض الطرق بالفعل، مثل استخدام الأستيلين وتقنية تُسمى “الترسيب الكيميائي بالبخار المدعوم بالبلازما”.

المصدر: PPPL

المشكلة في ذلك هي أنه بينما يمكنه نمو ألماس ميكروسكوبي، فإنه يترسب أيضًا الكثير من السخام، التي يمكن أن تتراكم على سطح الألماس وتعيق الأداء في التطبيقات البصرية وأجهزة الاستشعار والرقائق. حتى الآن لم يكن واضحًا لماذا يتشكل السخام بدلاً من الألماس.

درجة الحرارة المثالية والهيدروجين

اكتشف الباحثون أن هناك درجة حرارة دقيقة ينتج عندها العملية الماس. فوق هذه الحرارة الحرجة، يساهم الأستيلين أساسًا في نمو الماس. تحت هذه الحرارة الحرجة، يساهم أساسًا في تكوين السخام.

المصدر: Diamond And Related Materials

عامل آخر هو نشاط ذرات الهيدروجين قرب سطح الماس. كلما زاد الهيدروجين قرب السطح، يمكن تكوين المزيد من الألماس، حتى في درجات حرارة منخفضة.

“ذرات الهيدروجين لا تغذي نمو الماس مباشرة، لكن تفكك الهيدروجين، أو تحلله، أمر حاسم لتحويل الميثان إلى أستيلين ونقل ذرات الهيدروجين إلى سطح نمو الماس. كلاهما مهم لنمو الماس.”
ألكسندر خربري – باحث في جامعة برينستون.

معًا، تفتح هذه الأفكار حول تكوين الماس الطريق لإنشاء ألماس ميكروسكوبي مباشرة داخل أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون دون إتلاف باقي المادة بدرجات حرارة مرتفعة أو تكوين سخام غير مرغوب.

ألماس كمومي

يمكن أن يكون للماس البسيط المصنوع فقط من الكربون بعض التطبيقات في البصريات وأجهزة الاستشعار. لكن الأشكال المتقدمة من الماس قد تكون أكثر فائدة.

على سبيل المثال، تُصنع الألماس الكمومي عندما يتم استبدال بعض ذرات الكربون التي تشكل الماس بذرات أخرى، مثل النيتروجين، وتُزال بعض ذرات الكربون الأخرى. ينتج عن ذلك ما يُسمى فراغ النيتروجين (NV).

في مثل هذا الماس، تبدأ الإلكترونات الداخلية في اتباع قواعد الكم بدلاً من الفيزياء الكلاسيكية، مما يمكن أن يُستَخدم لبناء الكيوبتات.

“الإلكترونات في هذه المادة لا تتصرف وفقًا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية كما تفعل الجسيمات الأثقل. بل، مثل جميع الإلكترونات، تتصرف وفقًا لقوانين الفيزياء الكمومية.”
آلاستير ستايسي – الباحث الفيزيائي الرئيسي ومدير قسم مواد وأجهزة الكم في PPPL.

إتقان دليل الماس

حتى الآن، كانت طريقة استخدام البلازما لإنشاء الماس بعيدًا عن الدقة. كانت تعتمد على الكثير من التجربة والخطأ، حيث أن النظرية حول ما يحدث بالضبط على سطح الماس غير مفهومة جيدًا.

مثاليًا، يمكن أيضًا استخدام البلازما لإضافة طبقة أحادية الذرة من الهيدروجين على سطح الماس. لكن في حالة الألماس الكمومي، ستدمر الحرارة العالية فراغ النيتروجين.

لذلك بنى الباحثون نظامًا تحليليًا متقنًا (باستخدام مطيافية الفلورة الضوئية) لتقييم ما هو الأنسب لإنشاء طبقة هيدروجين على ألماس NV.

المصدر: Advanced Materials Interface

اكتشفوا أن طريقتين جديدتين يمكن استخدامهما، رغم أن لكل منهما عيوبه الحالية.

المصدر: Advanced Materials Interface

• تلدين غاز التشكيل، الذي يستخدم مزيجًا من جزيئات الهيدروجين والغاز النيتروجيني، نجح لكنه يتطلب غاز هيدروجين نقي جدًا دون أي أكسجين، وهو أمر صعب تحقيقه في درجات حرارة منخفضة.
• إنهاء البلازما الباردة، الذي يستخدم بلازما الهيدروجين بشكل غير مباشر، لم يضر بمركز NV وكان أسهل في التنفيذ، لكنه أنشأ طبقة هيدروجين ذات جودة أقل على الماس.

“هذا يبرز الموازنة بين جودة السطح وخصائص NV التي سيتعين موازنتها في التطبيقات المستقبلية. على سبيل المثال، في مشاريع الاستشعار الجزيئي الحيوي، من الضروري تمامًا الحفاظ على NVs بالقرب من الأسطح.”
دانييل ماكلوسكي – باحث في جامعة ملبورن.

بشكل عام، تفتح هذه الاكتشافات الطريق إلى عدد قليل من التطبيقات الجديدة، التي كانت صعبة أو مستحيلة سابقًا للماس:

• الإنتاج المباشر على أشباه الموصلات السيليكونية، دمج الألماس مباشرةً في الدوائر وأجهزة الاستشعار والترانزستورات.
• إنتاج ألماس كمومي إلى كيوبتات وظيفية، بما في ذلك طبقة هيدروجين مضبوطة بدقة على سطح الماس.

حواسيب كمومية جديدة

حتى الآن، تم بناء الحواسيب الكمومية باستخدام طرق معروفة مشتقة من تقنيات التصنيع التقليدية التي تستخدمها صناعة أشباه الموصلات. ولكن مع اختلاف تكنولوجيا الكم عن الحوسبة العادية، من المنطقي أن المواد الجديدة قد تكون أكثر ملاءمة من السيليكون التقليدي.

يمكن أن تشمل هذه المواد الماس، مما قد يسمح يومًا ما بإجراء الحوسبة الكمومية في درجة حرارة الغرفة، وهو ما سيقلل التكاليف بشكل كبير ويساعد أيضًا في إنشاء حواسيب كمومية أكبر.

“إنشاء محاكي كمومي يحتوي على أكثر من 50 كيوبت وحاسوب كمومي يعمل في درجة حرارة الغرفة يفتح الباب لتوسيع عدد الكيوبتات إلى أعداد أعلى، مثل 100 أو 1000، وهو ما سيكون بمثابة تغيير جذري في مجالات مثل التشفير والذكاء الاصطناعي وعلوم المواد.”

هذه القدرة ستمكن العلماء من اكتشاف أدوية منقذة للحياة بسرعة أكبر، وحل مشاكل التحسين الصعبة، أو تطوير تقنيات توفير الطاقة بشكل أكثر كفاءة.

مارتن كوبنهوفر – منسق المشروع في SPINUS

يمكن أيضًا استخدام الرنانات النانوية الميكانيكية الكهروضغطية المصنوعة من نيتريد الألومنيوم كأجهزة استشعار أو محولات كمومية.

بشكل عام، من المحتمل أن تكون المواد المتقدمة الجديدة بديلًا قويًا للسيليكون وتدفع بآفاق الحوسبة الكمومية إلى أبعد مما يمكننا تخيله اليوم.

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

الحوسبة الكمومية لا تزال في بدايتها لكنها قد جذبت بالفعل انتباه كل شركة حوسبة كبيرة ساهمت في ثورة السيليكون حتى الآن.

قد تظل محدودة إلى الأبد لتطبيقات متخصصة أكثر من أن تتواجد في حواسيبنا، لكنها قد تظل أداة حاسمة في نمذجة الفيزياء والبيولوجيا وعلوم المواد والتشفير وتطبيقات عسكرية.

يمكنك الاستثمار في شركات الحوسبة الكمومية عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من البلدان الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات محددة، يمكنك أيضًا النظر في الصناديق المتداولة مثل ProShares Nanotechnology ETF (TINY) أو صندوق WisdomTree للحوسبة السحابية (WCLD) (WT ) الذي سيُوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من أسهم الحوسبة الكمومية وتكنولوجيا النانو.

أو يمكنك الاطلاع على قائمتنا لـ “أفضل 10 أسهم لتقنية النانو” و \”أفضل 5 شركات حوسبة كمومية\”.

شركات الحوسبة الكمومية

كانت شركة International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) القوة الرائدة وراء تجاريّة أول حاسوب رئيسي.

ومع ذلك، فقد تراجعت مؤخرًا في حجم الإنتاج مقارنةً بعمالقة التقنية الآخرين مثل Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), و NVIDIA (NVDA )

ومع ذلك، هي في طليعة تطوير الحواسيب الكمومية. على سبيل المثال، طورت حاسوبًا كموميًا بقدرة 127 كيوبت يُدعى “Eagle”، تلاه نظام بقدرة 433 كيوبت يُعرف باسم “Osprey”.

وهذا الآن يتبعها “Condor”، معالج كمومي فائق التوصيل يضم 1,121 كيوبت بناءً على تقنية بوابة التردد المتقاطع، إلى جانب “Heron”، معالج كمومي على حافة المجال.

يمكن أن تستفيد الحواسيب الكمومية من تحسين التحكم المغناطيسي، مما يعزز استقرار الكيوبت وموثوقيته، وهو أمر أساسي لقوة المعالجة.

وبالمثل، قد تؤدي التطورات في الموصلات الفائقة، التي تعتمد على المجالات المغناطيسية المتحكم فيها، إلى نقل طاقة أكثر كفاءة وأنظمة تبريد، خاصةً في درجات حرارة أعلى.

IBM تشارك في معظم الابتكارات المتقدمة الأخرى في مجال الحوسبة وصناعة أشباه الموصلات. تشمل هذه المواد العضوية الموصلة، الحوسبة النيورومورفية، الفوتونيات، وغيرها.

إلى حد ما، أصبحت IBM “شركة براءات اختراع” تتمتع بخبرة في تطوير طرق حوسبة جديدة وترخيصها للصناعة.

حتى الآن، يبدو أنها عازمة بشدة على الاحتفاظ بأكبر عدد ممكن من براءات الاختراع الرئيسية في جميع طرق الحوسبة غير السيليكونية التي يمكنها الحصول عليها، مكررةً نجاحها السابق عندما ساهمت بشكل كبير في تطوير صناعة أشباه الموصلات لتصبح العملاق الذي هي عليه اليوم.

مرجع الدراسة:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). نموذج الكيمياء الكمومية لتفاعلات السطح والنمو الحركي للماس: تأثير جذور CH₃ وجزيئات C₂H₂ في الترسيب الكيميائي بالبخار منخفض الحرارة. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Stacey, A., de Leon, N. P., & Kaganovich, I. D. (2024). طرق الحفاظ على مراكز اللون مع إنهاء الهيدروجين للماس. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}